超声波电池极耳焊接：铜铝箔粘合完整指南

电池极耳的焊接点厚度不过几张纸，却承载着电池全部的电流。如果它失效，后果不堪设想——电池不仅报废，还可能导致热失控。 这就是为什么超声波金属焊接（UMW）已成为锂离子电池极耳连接的标准方法。它是一种固态焊接，无需填充金属，并且避免了会损坏电极涂层的热量。

下面我们将介绍键合的实际形成过程、铜和铝为何需要不同的处理方法、多层堆叠结构内部发生的情况，以及如何选择合适的材料。 超声波金属焊接机 为了帮助您完成流程。文中我们融入了我们在恒友音达公司自身应用开发工作中的一些观察结果。

1. 键的形成方式——不是熔化，而是摩擦

超声波金属焊接在叠层顶面施加 20–40 kHz 的横向振动，同时利用气动装置将组件压紧在砧座上。这种高频振动能够破坏铜和铝表面自然形成的氧化层。一旦洁净的金属暴露出来，原子扩散便会启动，并在远低于熔点的温度下形成固态键。

由于没有熔池，该工艺避免了熔融法给电池带来的三大问题：隔膜附近的热影响区、飞溅和脆性金属间化合物相。这就是为什么如今几乎所有棱柱形和软包电池生产线都依赖于这种工艺的原因。 超声波电池极耳焊接.

2. 铜与铝：两种截然不同的金属

在图纸上，铜片和铝片看起来可以互换。但在喇叭口前方，它们的表现却截然不同。

铝质地柔软，但其氧化物（Al₂O₃）却极其坚硬。焊枪必须采用具有强烈滚花纹路且振幅足够大的焊头才能去除氧化物。一旦去除氧化物，铝就能快速焊接。在我们的应用实验室中，我们发现，在能量模式下，典型的20微米厚铝箔叠层在18-22焦耳的能量下即可实现干净的焊接。如果在相同层数下，能量超过28焦耳，则最上层的铝箔会开始挤出——这是过焊的明显迹象。

铜更硬，抗变形能力更强，但需要更多能量。相同层数的铜可能需要 30 焦耳或更多的能量才能达到规定的剥离强度。界面处产生的热量也更高，因为铜在每个循环中吸收的超声波能量更多。如果误将铜的参数应用到铝上，就会烧穿整个叠层。反之，如果将铝的参数应用到铜上，则在质量控制阶段粘合处就会脱落。

对于铜铝连接（例如，焊片与母线的连接），工艺控制要求更为严格。当能量超过一定值时，脆性铜铝金属间化合物会生长，从而降低电气和机械性能。只有将能量窗口控制在较窄的范围内，才能获得可靠的连接。

3. 多层焊接：衰减决定极限

在喇叭下方堆叠 20 或 30 层箔片，就会面临一个物理现实：超声波能量从最上层进入，并随着向下传播而减弱。每个界面都会因摩擦和变形而消耗一部分振动。当脉冲到达最底层箔片时，振幅可能已经太低，无法击穿氧化层并形成有效的键合。

在标准的 20 kHz 频率下 超声波金属焊接机如果焊接装置排列得当，一个焊片最多可以焊接约 24 层铝箔。对于铜来说，由于其每层吸收的能量更多，20 层是一个比较实际的上限。超过这个数量，要么会降低堆叠底部的剥离强度，要么就需要对焊接工艺进行一些调整。

在 恒友音达，当客户需要压制 40 层铝箔时，我们通常会采用定制的压头轮廓和阶梯式压力方案——压头首先以适中压力启动上层铝箔的粘合，然后逐渐增加压力，将能量传递到更深的层。这并非标准机器能够实现的，但它可以在使用相同压头的情况下将层数增加近一倍。您可以查看其范围。 我们的超声波金属焊接机配置 点击此处。

4. 三个旋钮：振幅、压力和时间

每个焊片焊接都受三个相互作用的变量控制。单独改变其中一个变量而不改变其他变量，是造成工艺偏差的最常见原因。

剥离强度低 通常意味着氧化物没有完全破碎。首先要提高振幅——单纯增加时间很少有效，因为表面只是在压力下停留，没有足够的摩擦。振幅提高后，调整压力，使压力头与工件紧密贴合。

箔片开裂或过薄 这表明你施加的压力对应的振幅过大。请逐步减小振幅，并确保夹紧力足够大，以防止号角敲击箔片而不是摩擦它们。

接头区域的焊接质量不一致 几乎总是对准问题。即使压头和砧座之间有很小的倾斜，也会导致压力变化。在机器调试期间，用千分表测量压头表面，可以发现偏差，否则这些偏差会在几周后表现为间歇性的剥离失败。

在我们的系统中，发生器会实时记录每次焊接的频率、功率和焊头位移。这些记录是工艺偏差的最早指标——通常比机械测试提前数天就能检测到偏差。

5. 选择设备：标准型还是定制型？

一个标准 超声波金属焊接机 专为电池极片焊接而设计的焊枪应具备以下功能：20 kHz 频率、1% 增量的数字幅度控制、时间和能量焊接模式，以及在满载情况下保持焊头平行的刚性框架。

标准机器适用时：大多数棱柱形或软包电池的单极焊接——最多可焊接约 24 个铝箔或 20 个铜箔。

何时应该考虑定制：

您的箔片数量超过了这些范围。

您正在焊接异种材料叠层（铜片到铝母线），其中抑制金属间化合物的形成至关重要。

您的指板几何形状不符合标准，或者喇叭的安装位置受到限制。

您需要与MES数据握手进行完全自动化集成

唯一确定你属于哪一类的方法，就是用真正的生产材料——不是普通的铝箔，也不是别人的拉片——在真正的号角上进行测试。我们进行样品试验正是出于这个原因。

常见问题

• 我可以用同一台机器焊接铜和铝吗？

是的。机器本身没变，只是参数设置会改变。铜需要更高的能量。一个内置配方的数字控制器可以在几秒钟内切换不同的材料。

• 为什么频率对电池极耳焊接很重要？

较低频率（20 kHz）可提供铜和厚铝叠层所需的功率和振幅。较高频率（35–40 kHz）则更为柔和，适用于薄箔或精密部件。选择合适的频率至关重要。 超声波焊接电池极耳频率 它并非一成不变——它必须符合您的堆栈和质量目标。

• 好的焊缝应该是什么样的？

工具压痕均匀，无箔材穿透；剥离强度始终高于最低要求；无翘边或起皱；循环前后电阻稳定。如果发生器能够紧密地跟踪焊缝间的叠层，则工艺正常。

超声波电池极耳焊接看起来很简单——堆叠箔片，施加振动和压力，不到一秒即可完成。但一个接头能承受2,000次循环和只能承受500次循环的区别，在于一些物理细节：氧化物去除、能量在堆叠层中的衰减、材料特定的参数限制以及实时过程监控。

恒友音达超声波，我们建立 超声波金属焊接机 专为电动汽车电池和精密连接应用而设计。如果您正在开发下一代电池——更高层数、固态、干电极极耳——我们会使用您的实际材料进行应用试验，以便在您购置设备之前找到最佳工艺窗口。

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即使你与不同的供应商合作，上述原则也应该能帮助你提出更尖锐的问题，并建立更稳健的焊片焊接工艺。